Вчені створили секундомір для квінтильйонної частки секунди

Уявіть собі м’яч, що летить у бетонну стіну. Очевидно, він відскочить. тунелюванням і лежить в основі роботи всього, від флеш-пам’яті в наших смартфонах до термоядерних реакцій у зірках. Звучить як фантастика, чи не так? Однак для фізиків це буденність. Але одне питання десятиліттями не давало їм спокою: якщо електрон і проходить крізь бар’єр, скільки часу він на це витрачає? Це миттєво відбувається? Чи є крихітна, але вимірна затримка?

Відповісти на це питання — все одно, що спробувати сфотографувати помах крил колібрі за допомогою камери XIX століття. Процес триває аттосекунди – це одна квінтильйонна частка секунди. Щоб ви розуміли масштаб: одна аттосекунда відноситься до секунди так само, як секунда – до віку Всесвіту. І ось, здається, вчені з Університету Уейна і Сорбонни нарешті створили інструмент, здатний виміряти цю невловиму мить.

Атогодини: стара проблема, новий підхід

Щоб заглянути у світ аттосекундних процесів, фізики вигадали хитромудрий інструмент — аттогодинник. Ідея проста та геніальна. Уявіть, що стріляєте в електрон потужним лазерним імпульсом. Електричне поле цього імпульсу обертається, неначе стрілка годинника. Коли електрон «тунелює» назовні зі свого атома, це поле, що обертається, підхоплює його і відхиляє убік. По кінцевому кутку, під яким вилетів електрон, можна розрахувати, коли «годинної стрілки» він почав свій рух, а значить — виміряти тимчасову затримку.

Проблема в тому, що більшість старих аттогодин працювали з еліптично поляризованим світлом. Це коли «годинна стрілка» лазера рухається не ідеальним колом, а витягнутим еліпсом. Така система виявилася вкрай примхливою. Результати сильно залежали від найскладніших теоретичних моделей і були схильні до спотворень, через що різні групи вчених отримували суперечливі дані. Суперечки про час тунелювання не вщухали.

Годинник із фазовим дозволом: у чому фокус?

Команда під керівництвом Веня Лі вирішила піти іншим шляхом. Вони зрозуміли, що головна проблема — відсутність точної «точки відліку». Їхня нова методика, названа аттогодинами з фазовим дозволом, вирішує саме це завдання.

У чому справа? У лазерного імпульсу є два ключові параметри: сама світлова хвиля, що коливається з шаленою швидкістю, і її «огинаюча» — загальний контур імпульсу. Пік цієї оминаючої і пік самої хвилі не завжди збігаються. Зсув між ними називається фазою несучої-огинальної (CEP). І саме це зрушення стало ключем до успіху. Дозвольте пояснити простіше. Нові аттогодини використовують цей параметр як ідеальний стартовий сигнал. фільтрувати всі сторонні ефекти. Як висловився сам Вень Лі, їхній метод «дійсно відстежує пік електричного поля», усуваючи спотворення, які десятиліттями заважали отримати точну відповідь.

То чи є затримка? Вердикт майже винесено

І що ж показали цей надточний годинник? Результат виявився одночасно і очікуваним, і вражаючим. Час, який електрон проводить «всередині стіни», зникає мало. Це означає, що попередні суперечки про великі затримки, найімовірніше, були викликані недосконалістю вимірювальних технік. Виявилося, що фінальний напрямок руху електрона визначається не так часом, проведеним у тунелі, як фундаментальною властивістю самого атома — його потенціалом іонізації. Простіше кажучи, наскільки сильно атом «тримається» за свій електрон. Що легше його відірвати, то під іншим кутом він вилетить. Ефект тунельної затримки, якщо і є, він настільки малий, що практично не впливає на загальну картину. Це важливе відкриття, яке наводить лад у давніх наукових дебатах. Квантове тунелювання – це майже миттєвий процес. Майже.

Від атто- до зептогодин: що далі?

Наука ніколи не стоїть на місці. Дослідники визнають, що затримка хоч і «зникаюча мала», але, можливо, не дорівнює нулю. Але найцікавіше — це практичні перспективи нової методики. Оскільки метод виявився надійним і точним, його можна перетворити на новий вид спектроскопії. Це дозволить вченим не просто вивчати властивості речовин, а спостерігати за хімічними реакціями в реальному часі. Уявіть, що ви можете побачити, як розриваються і формуються хімічні зв’язки, як електрони перескакують від одного атома до іншого. Це відкриває неймовірні можливості для створення нових матеріалів, розробки більш ефективних ліків і каталізаторів.